【摘要】：對(duì)于各類精確制導(dǎo)武器而言,采用紅外成像制導(dǎo)是目前實(shí)現(xiàn)精確打擊的主流制導(dǎo)方式之一。然而,光學(xué)窗口周圍復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)(如混合層、湍流邊界層、激波和膨脹波等)會(huì)產(chǎn)生如目標(biāo)圖像偏移、模糊和抖動(dòng)等現(xiàn)象的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng),它是影響高速武器打擊精度的一個(gè)重要因素,已成為研究熱點(diǎn)。論文以超聲速混合層為研究對(duì)象,重點(diǎn)對(duì)混合層渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性、混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的空間和時(shí)間演化規(guī)律以及混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的控制方法開展了較為深入的研究。揭示了混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)和流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性之間的關(guān)系,完成了混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的機(jī)理研究;分別從調(diào)制和抑制渦結(jié)構(gòu)的角度研究了能夠有效降低混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的校正和控制方法。具體而言,論文的主要研究工作如下:⑴對(duì)混合層渦結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)對(duì)流速度開展了研究�；旌蠈訙u結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度是反映渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性的重要參數(shù),考慮不同尺寸的單個(gè)渦結(jié)構(gòu)及參與配對(duì)-融合過程的兩個(gè)相鄰渦結(jié)構(gòu),使用渦核位置提取方法,分別計(jì)算它們的瞬時(shí)對(duì)流速度并進(jìn)行分析。結(jié)果表明:對(duì)單個(gè)渦結(jié)構(gòu)而言,其瞬時(shí)對(duì)流速度具有脈動(dòng)特性且脈動(dòng)幅度隨渦結(jié)構(gòu)尺寸而變化;對(duì)參與融合的兩個(gè)相鄰渦結(jié)構(gòu)而言,各個(gè)渦結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)對(duì)流速度都表現(xiàn)出類似正弦波動(dòng)的特點(diǎn)。此外,還研究了混合層對(duì)流馬赫數(shù)、混合角度和來流組份等因素對(duì)渦結(jié)構(gòu)演化的影響。⑵開展了超聲速混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)空間和時(shí)間演化規(guī)律的建模和數(shù)值驗(yàn)證研究。在深入分析渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性與混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,使用混合層來流參數(shù)及合理假設(shè),分別對(duì)混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的空間和時(shí)間演化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,并以典型超聲速混合層流場(chǎng)為例對(duì)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。提出了考慮對(duì)流馬赫數(shù)影響的混合層生長(zhǎng)率預(yù)估公式,與當(dāng)前其它預(yù)估公式相比,新預(yù)估公式考慮了壓縮性的影響,具有更好的適應(yīng)性。⑶對(duì)超聲速混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的控制方法進(jìn)行了研究�；诨旌蠈訙u結(jié)構(gòu)與其氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,分別從調(diào)制和抑制渦結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),提出了相應(yīng)的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)校正和控制方法。其中,調(diào)制渦結(jié)構(gòu)通過對(duì)混合層的周期性控制來實(shí)現(xiàn),而抑制渦結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)通過在混合層上游施加吹/吸氣控制來實(shí)現(xiàn),并分別進(jìn)行了數(shù)值和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證�？偨Y(jié)出描述控制周期、渦結(jié)構(gòu)空間尺寸和渦結(jié)構(gòu)對(duì)流速度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式,即受周期性控制流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)的空間尺寸等于控制周期和渦結(jié)構(gòu)平均對(duì)流速度的乘積,這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式能夠用于預(yù)估受控混合層渦結(jié)構(gòu)的空間尺寸。對(duì)于上游吹氣控制,還分析了吹氣強(qiáng)度對(duì)抑制下游混合層渦結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)強(qiáng)度的吹氣能夠取得更好的抑制效果。⑷使用直接模擬蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法對(duì)臨近空間超聲速混合層的生長(zhǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值探索。通過提取混合層邊界,分析了混合層厚度在不同高度的變化規(guī)律并定量計(jì)算了混合層在不同高度的生長(zhǎng)率。結(jié)果表明:混合層生長(zhǎng)率隨高度的增加而增加,且高度越高混合層生長(zhǎng)率的增加越顯著;對(duì)于相同的高度,混合層生長(zhǎng)率隨流向距離的增加有減小的趨勢(shì)。本論文的創(chuàng)新點(diǎn):1.揭示了混合層二維渦結(jié)構(gòu)對(duì)流速度的特性以及渦結(jié)構(gòu)在周期性調(diào)制下所表現(xiàn)出的生長(zhǎng)特性(即受控渦結(jié)構(gòu)的空間尺寸在數(shù)學(xué)上近似等于渦結(jié)構(gòu)平均對(duì)流速度與調(diào)制周期的乘積);2.構(gòu)建了描述混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)空間和時(shí)間演化規(guī)律與流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型;3.提出了調(diào)制和抑制渦結(jié)構(gòu)等兩種控制混合層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的途徑,并對(duì)具有工程應(yīng)用價(jià)值的光學(xué)頭罩氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)控制方法(上游吹氣和吸氣)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。
【圖文】：

第一章 緒論究背景與意義于具有良好的成像效果和抗干擾能力，紅外成像制導(dǎo)是目前高速導(dǎo)彈實(shí)打擊的主流制導(dǎo)體制之一。然而，高速飛行使其光學(xué)頭罩與周圍來流發(fā)作用，在光學(xué)窗口上方會(huì)形成湍流邊界層、激波和膨脹波等復(fù)雜的流場(chǎng)光學(xué)窗口本身也會(huì)因?yàn)榕c高速來流的強(qiáng)烈摩擦而產(chǎn)生較強(qiáng)的氣動(dòng)熱效應(yīng)窗口因氣動(dòng)熱而變形，需要在光學(xué)窗口前緣水平噴射冷卻劑以對(duì)光學(xué)窗隔離高速來流，由此冷卻噴流與外部來流相互作用形成混合層流動(dòng)。當(dāng)對(duì)目標(biāo)成像并進(jìn)行識(shí)別和跟蹤時(shí)，光學(xué)窗口上方的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)引起移、模糊和抖動(dòng)，此即稱為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)(Aero-Optics Effects)[1]，如下其中，冷卻噴流與外部來流相互作用形成的混合層流動(dòng)是產(chǎn)生氣動(dòng)光學(xué)要來源[2]。

大學(xué)博士學(xué)位論文 第一，相鄰的渦結(jié)構(gòu)還會(huì)發(fā)生“配對(duì)”與“融合”等過程。在混合層研究的ke[9]采用線性穩(wěn)定性分析方法證明了混合層中存在渦結(jié)構(gòu)，Brown 和 R驗(yàn)在低速混合層流動(dòng)中發(fā)現(xiàn)了大尺度渦結(jié)構(gòu)，，認(rèn)為渦結(jié)構(gòu)是混合層發(fā)展表現(xiàn)形式，且主導(dǎo)了混合層流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)行為。Rogers 和 Moser[11]首次模擬(Direct Numerical Simulation, DNS)方法證明了混合層流場(chǎng)中渦結(jié)onkewitz 和 Heurre[12]證明了 K-H 不穩(wěn)定性對(duì)混合層中復(fù)雜的流動(dòng)確實(shí)，使流動(dòng)在流場(chǎng)下游逐漸形成了流向大尺度的渦結(jié)構(gòu)。Winant 和 Bro動(dòng)顯示技術(shù)對(duì)中等雷諾數(shù)下的混合層進(jìn)行了研究，結(jié)果表明流場(chǎng)中渦結(jié)后相鄰渦-渦之間配對(duì)和融合現(xiàn)象是混合層生長(zhǎng)的根本原因。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TJ765.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2694370